基于ICEPAK控制單機密封性對散熱性能的影響研究

王珂，吳彥妮，周鵬偉，陳思佳，劉濤，馬聚沙

（上海空間電源研究所，上海 200245）

引言

電子電源控制單機是航天器電源分系統的控制中心，由于溫度對電子產品性能和可靠性的影響，電源控制器的熱設計是整個航天器設計制造過程中的核心環節之一[1]。為了降低航天器的研制成本，提高電源分系統的工作效率，需要電源控制器進行標準模塊化、低成本、小體積、輕量化和高比功率的型譜化設計。高比功率就意味著發熱量大，在熱設計中需充分考慮器件高效散熱途徑。通過降低電子元件的工作溫度和結溫可以提高電子系統的可靠性，研究表明產品制造中應用熱設計良好的元器件，但控制器熱設計不良仍會導致產品整體散熱效果不好，產品溫升較大[2,3]。研究指出工作溫度每升高 10 ℃，電子設備的可靠性就會降低50 %左右[4]。產品結構散熱不佳，電子設備的可靠性和使用壽命可能會降低約33 %，熱失控是一個嚴重的安全問題[2]?？諝饫鋮s（熱對流）是電子電源產品散熱的最簡單和最重要的技術，但航天器在軌空間環境為高真空，電源控制器單機只能通過熱傳導和熱輻射途徑進行散熱。因此，強化電源單機的熱傳導和熱輻射是空間電源產品的主要方向。

王萌等人利用仿真方法對高密度密閉電子設備的不同散熱結構進行了熱仿真分析，確定了最優散熱結構方案[5]；何明珠等人對通過仿真對非密閉式的大功率電源控制器的結構設計進行熱仿真分析，研究得到了較好的熱設計方案[6]。周珺利用數值模擬方法對密閉式地面電子設備散熱途徑進行了分析，研究指出密閉式電子設備的導熱路徑和導熱方式對設備溫度分布具有重要影響[7]；何偉等人對非密封式的電子設備通過仿真與實驗驗證結合的方式，對不同結構形式的設備進行散熱分析，得到較優的散熱結構方案，并且通過實驗驗證指出仿真結果與實驗驗證結果一致[8]。通常在密閉式電子設備散熱性能數值模擬中，在電子單機內部建立充滿空氣的密閉空腔，而非密閉的電子單機則為開口設置，單機工作環境連通，但是對于航天器用電子單機周圍為高真空環境，地面裝配時單機殼體僅通過機械緊固方式連接，高真空環境下內部會泄露空氣，形成真空環境。因此，為了空間環境電子設備可靠性運行，有必要對電子單機的殼體密封性對產品散熱性能的影響進行研究。

本文通過建立電源控制單機數值模型，利用ANSYS ICEPAK仿真軟件對電源控制單機的結構密封與否進行熱分析。首先模型設置為非密封結構，內部與外界環境為真空狀態進行熱分析；然后對模型內部腔體設置為密封的空氣，外界環境為真空狀態進行熱分析。對兩種結構對控制器散熱性能進行對比，分析結果將為空間環境使用的電子產品的散熱結構設計提供參考。

1 計算方法

1.1 模型介紹

本研究以某型號電源控制器模型為例，如圖1所示，單機主要由7個模塊組成，分別為充分1模塊、充分2模塊、放電模塊、MEA模塊、配電模塊、加熱器模塊和下位機模塊組成。為減小其它因素引入的誤差，使用同一模型對兩種不同腔體環境。仿真時對模型進行相應的簡化，將電路板上較小、功耗較低的元件，如電容、電阻等刪除，將起連接作用的緊固件，如螺釘、螺母、平墊、彈墊等刪除，對一些不影響結構散熱的圓角倒角、電連接器等刪除[9]。雖然對整個模型進行相應簡化對散熱產生一定的影響，但僅對局部產生微小的變化，對整體散熱效果影響微小，并且對本文研究密封結構與非密封結構的散熱效果對比無影響。

1.2 傳熱類型

熱量傳遞由三種基本方式組成：熱傳導、熱對流和熱輻射。航天器在軌空間環境處于高真空環境，大氣密度極低，因此不考慮空氣的對流傳熱途徑。對于電源控制器的傳熱途徑主要為元器件的熱耗通過導熱作用傳導至結構或印制板，印制板再通過導熱傳至結構，并且元器件間、元器件與結構間、印制板之間，印制板與結構之間等進行輻射換熱，但熱耗主要通過熱傳導的形式傳遞給結構，結構底面進而與航天器熱控底板進行熱交換。其它五個面均通過輻射換熱形式與周圍熱沉環境換熱。

熱傳導計算公式：

式中：

λ—材料的導熱系數，W·m-1·K-1；

A—垂直于導熱方向的截面積，m2；

φ—傳導熱量，W；

q—熱流密度，W·m-2。

熱輻射計算公式：

式中：

φ—輻射換熱量，W；

σ—史蒂芬-玻爾茲曼常數，5.67×10-8W/(m2·k4)；

ε—表面發射率，0~1；

Ai—平面i得表面積，m2；

Fij—平面i到平面j的角系數；

Ti—平面i的絕對溫度，K；

Tj—平面j的絕對溫度，K。

1.3 邊界條件

根據產品在軌的高溫使用環境條件外擴10 ℃，將環境溫度設置為 65 ℃，熱控底板溫度設置為65 ℃。功耗元器件設置為具有體積熱源的塊。兩種結構使用相同的模型，對于密閉的模型，由于電裝裝配是地面完成，控制器內部充滿不能流動的空氣，內部設置為靜止空氣（固體空氣）。非密閉模型內部腔體與航天器運行空間環境一致，設置為真空狀態。其余邊界條件全部相同。產品按照光照期充電模式工作，發熱器件功耗設置如表1所示。

表1 發熱器件功耗設置表

1.4 網格獨立性驗證

采用六面體占優網格對計算域進行劃分，比較網格數為 1360428、2355127 和 3370419 的非密封結構數值模型的溫度分布（圖2），以檢查網格獨立性。選擇D101.1和D401二極管為溫度監測點。監測元器件幾何中心點上的溫度分布作為比較對象，對不同劃分網格數量的溫度結果進行比較。如表2所示，發現差異小于1 %，認為建模結果與網格無關，這與相關的研究結果一致[2]。

圖2 模型的網格劃分

表2 不同劃分網格數量的溫度結果

為了驗證數值模擬的準確性，對非密封結構設計進行了試驗測試?？刂破髟诠庹掌诔潆娺^程中高溫工況下溫度穩定時，記錄D101.1和 D401溫度監測點的數值。對試驗測試結果和仿真模擬結果進行比較，如圖3、表3所示，計算各監測點的相對溫度誤差，均小于5 %。

圖3 內部環境溫度驗證

表3 仿真與實驗對比誤差分析

2 結果與討論

分別對密封結構和非密封結構的模型進行熱仿真，將兩種結構形式的模擬結果進行比較，如圖4所示，通過對比發現，密封結構的控制單機最高溫度為75.09 ℃，而非密封結構控制單機最高溫度為72.28 ℃，說明非密封的結構散熱性能比密封結構散熱性能好，空氣的存在對內部元器件或組件散熱起到阻礙作用，這歸因于空氣的低導熱率（0.024 1 W·m-1·K-1）。從控制單機殼體上看，兩種結構的溫度梯度趨勢是一致的，歸因于控制單機的散熱方式主要為熱傳導方式，散熱途徑是一致的，內部發熱元器件或組件通過接觸導熱形式將大部分熱量通過結構框架傳遞到控溫底板，一部分熱量通過輻射形式傳遞給周圍環境。

圖4 整機溫度分布

對兩種結構類型的單模塊溫度分布進行比較，如圖5所示，可以看出兩種類型的單模塊溫度分布趨勢是相同的，這也是因為模塊內部元器件的散熱方式主要以熱傳導為主。但對比發現，內部充滿靜止空氣的模塊溫度都比真空腔體的溫度高，最高溫度差為5.59 ℃。真空狀態下，元器件之間、元器件與相鄰模塊印制板之間、印制板與相鄰印制板之間、元器件和印制板與結構框架之間都會以熱輻射形式進行熱量交換，但密封腔體內部充滿固體空氣，器件與相鄰器件之間只能通過導熱進行熱量交換，空氣導熱率極低，對功耗器件起到了保溫作用，并且空氣存在嚴重阻礙了元器件、印制板及框架內部之間的輻射換熱。因此在真空環境下，非密封結構的導熱性能優于密封結構的導熱性能。

圖5 單模塊的溫度分布

3 結論

本文通過仿真模擬對空間環境使用的電源控制器結構密封性對散熱性能的影響進行了研究。利用同一模型，對內部腔體設置為真空狀態與設置為固體空氣狀態的散熱性能進行分析，通過對比發現，密閉結構單機通過空氣介質的導熱量較低，并且空氣阻礙了內部組件間輻射換熱量，進而影響整體散熱性能。與非密封結構相比，單機內部組件最大溫度高出了5.59 ℃，單機整體溫度升高了2.81 ℃，結果表明非密封結構比密封結構（內部含空氣）更有利于產品散熱。